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人類在發展過程中目前面臨能源危機和環境污染雙重壓力。在能源消費方面，目前世界能源消耗91%的是一次性礦物燃料能源，但礦物燃料是有限的，不可能成為人類的永久性能源。因此尋找可替代化石能源的新能源是人類可持續發展的必由之路。 據估計，全世界每年由光合作用而固定的碳達2×1011 噸，含能量達3×1018 千焦，可開發的能源約相當于全世界每年耗能量的10 倍；生成的可利用干生物質約為1700 億噸，而目前將其作為能源來利用的僅為13 億噸，約占其總產量的0.76％，生物質資源開發利用潛力巨大。據測算，我國擁有的生物質能資源為50 億噸左右，是我國目前總能耗的4 倍左右[5]。生物質資源雖然豐富，但由于保存和轉化的技術落后導致生物質資源浪費嚴重，如秸稈等農業廢棄物在田間焚燒，林業產品加工產生的木屑、鋸末等被直接丟棄，食品加工的殼、皮等被當作垃圾填埋，這不僅污染了環境，還造成了生物質資源的巨大浪費 利用生物質制備炭材料，在能源領域利用可以直接作為燃料使用，可以避免生物質原料本身能量密度低、體積龐大難于運輸等弊端，同時相對于燃煤可以減少硫排放，從而減少對環境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的場合才使用，目前生物質炭在能源方面主要作為高端的燃料電池正極材料。另一方面生物質炭本身的多孔性致使它具有巨大的比表面積、發達的孔隙結構以及較好的化學穩定性和機械強度，在環保領域對重金屬良好的吸附性能，因此對重金屬廢水處理及土壤恢復與改良具有巨大的應用潛力[8-14]。 由于傳統工藝制造活性炭成本高，因此限制了其應用范圍。如何最大限度降低制造成本是科研工作必須努力的方向。 生物質炭的制備方法主要分為：熱分解法，微波炭化法，水熱炭化法。熱分解炭化法是目前制備生物質炭的主要方法，熱分解制備生物質炭是在隔絕空氣條件下生物質的高溫裂解成炭，一般需要炭化與活化兩個過程且二者可分步或同步進行。首先炭化過程是在300 –1000 0C下使生物質中分子鏈中C-O、C-C鍵斷裂成炭，隨著溫度的升高, 生物質炭的產量降低, 含碳量逐漸增加?；罨哪康氖抢脷怏w或化學物質改變炭化料的內部結構, 擴大孔體積, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸氣、空氣、CO2進行活化；化學活化則采用化學物質如NaOH，ZnCl2，KOH, K2CO3等在600~11000C下活化，得到活性生物質炭產品。熱分解法的缺點在于反應時間長，反應耗能大，傳熱效率低和反應原料加熱不均勻等。微波炭化法則是通過被加熱體內部偶極分子的高頻往復運動，使分子間相互碰撞產生大量摩擦熱量，繼而使物料內外部同時快速均勻升溫從而達到裂解及炭化的目的。微波加熱具有操作簡單、升溫速率快、反應效率高、可選擇性均勻加熱等優點。生物質通過微波炭化處理其活性炭得率較高(一般達到40%左右)且表面積大。但微波炭化的不足在于物料的反應溫度不能精確控制，過量的微波輻射將對人體健康有損害且工業化放大過程比較困難。水熱炭化法是在一定溫度(一般200 ℃)和壓強（下將水熱反應釜內的生物質( 碳水化合物、有機分子和廢棄生物質等) 、催化劑和水進行加熱，實現對生物質炭化的過程。水熱炭化一般制得的生物質表面積小一般500m2/g以下，同時反應時間長，因此生產成本較高。 總之制備生物質炭材料具有豐富的原料來源，同時在能源及環境方面具有廣闊的應用前景，尤其在重金屬污染治理及土壤恢復及改良前景更為廣闊。但目前生物質轉化為炭流程長，分解溫度高，造成生產成本高而致使生物質的利用率低。如何更高效、成本更低廉實現生物質的炭轉化，無論對于人類能源結構優化及環境保護均有十分重要的現實意義。 本項目提出了一種酸催化裂解炭化生物質原料的方法，采用酸催化直接將生物質分解及炭化，并在低溫下(2000C左右)加速炭化及活化(6000C以下) 過程，吸收炭化及活化過程蒸發的酸及液態有機物，酸進行循環利用，實現生物質炭材料綠色制備。由此可以制備出生物質炭材料比表面在1000m2/g以上，得率達到50%以上，從而降低生物質炭的制造成本，拓寬其應用范圍。二．技術路線酸催化生產技術路線見下圖，生物質粉碎后，采用一定酸浸濕潤，干燥后進行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷卻，炭化活化過程進行酸回收并返回使用，炭化完全后冷卻，加粘結劑壓塊便得到生物質炭。  圖1 酸催化制備生物質炭工藝流程三．技術開發內容及指標技術開發內容生物質原料的篩選及酸種類的篩選溫度、時間工藝參數的優化；粘結劑的選擇與添加工藝確定日處理1噸中試放大設備選擇與設計；技術指標生物質炭得率大于50%；生物質炭的碳含量高于80%；生物質炭燃燒后的灰分小于5%；生物質炭材料比表面在1000m2/g以上。四．經濟效益初步分析生物質炭售價按3000元/噸計算，原材料及處理成本約1500元/噸；按年生產1萬噸計算，年效益為=（3000-1500）x10000=1500萬元。 本項目作為生物質炭新工藝相對于傳統工藝，大幅度提高了生物質炭的轉化效率及降低了生產成本，因此經濟效益非常顯著，如果作為活性炭使用效益更加顯著。同時具有很好的推廣前景。

利用農業廢棄物秸稈生產生物炭，返施農田，并輔助其它技術， 可以達到固定重金屬污染農田，在微污染農田中生產出合格產品，挽 救因重金屬污染造成的農田損失；同時可以減少化肥施用量，達到減 施以保護地表環境免受富營養化污染。目前重金屬造成農田的污染修 復以及化肥減施大部分屬于國家公益項目。 農田重金屬固定技術已經在天津東麗區區示范運行 3 年，運行效 果好，蔬菜重金屬達到標準，增加農作物產量，減少化肥施用，因此， 廣受農民歡迎。

由生物質制成的炭具有無煙、無味、熱值高等特點，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質，延長碳在土壤中的封存時間，降低溫室效應對全球氣候變化的負面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團，可凈化水質，吸附土壤中一些常見的環境污染物如重金屬、農藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環保、農業等領域。 目前，已有的生物炭生產系統都會至少存在下列問題之一：①產能小，難以滿足大規模生產需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進爐等；②爐內溫度難以控制，生物炭品質難以保證，如豎流式爐等；③對原料要求高，應用范圍受到限制，如回轉窯；④能耗大，生產成本高，存在環境污染（特別是焦油難處置）。針對以上問題，東南大學將炭化過程產生的副產品（焦油和熱解氣）進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣采用內外聯合加熱方式為生物質炭化過程提供熱量，無焦油產生，實現連續式進出料和能量梯級利用。目前已建成日處理秸稈量7噸和24噸的成套工程，日產生物炭約2.1噸和7.5噸。工程連續穩定運行。 本技術已申請國家發明專利3件（授權2件），發表學術論文12篇，獲國家“973”、江蘇省環保廳科技項目支持。

利用農業廢棄物秸稈生產生物炭，返施農田，并輔助其它技術，可以達到固定重金屬污染農田，在微污染農田中生產出合格產品，挽救因重金屬污染造成的農田損失；同時可以減少化肥施用量，達到減施以保護地表環境免受富營養化污染。目前重金屬造成農田的污染修復以及化肥減施大部分屬于國家公益項目。 農田重金屬固定技術已經在天津東麗區區示范運行 3 年，運行效果好，蔬菜重金屬達到標準，增加農作物產量，減少化肥施用，因此，廣受農民歡迎。

活性炭是現代化學工業，石油工業，食品工業，醫藥工業，飲用水處理等行業不可缺少的處理吸附，脫色，凈化劑，應用范圍十分廣泛，尤以粒狀活性炭最為重要，世界上許多國家和地區都十分重視它。在日本，丹麥，瑞典，美國等發達國家研究，生產應用活性炭的歷史近百年；在中國雖然起步較晚，但在應用硬果殼制備活性炭的生產工藝方面有較大的成功，先后有采用核桃殼，椰子殼，棕櫚殼，桃核，杏仁殼及木屑等為原料來制備粒狀或粉狀活性炭，由硬果殼制備的活性炭均為粒狀，可再生重復使用，應用價值大；由木屑制備的粒狀活性炭，生產成本較低，一般為一次性使用，不便于再生?；钚蕴可a方法可分為物理活化法和化學活化法兩大類，各有優缺點，但化學活化法由于活化劑種類及濃度的不同而使活性炭的孔徑大小，長短等主要技術指標有較大的差異，人們通過控制選擇活化劑，活化劑濃度，PH值大??；活化溫度高低等條件來達到制備出不同規格型號的粒狀活性炭，以供不同用途選用。

由生物質制成的炭具有無煙、無味、熱值高等特點，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質，延長碳在土壤中的封存時間，降低溫室效應對全球氣候變化的負面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團，可凈化水質，吸附土壤中一些常見的環境污染物如重金屬、農藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環保、農業等領域。 目前，已有的生物炭生產系統都會至少存在下列問題之一：①產能小，難以滿足大規模生產需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進爐等；②爐內溫度難以控制，生物炭品質難以保證，如豎流式爐等；③對原料要求高，應用范圍受到限制，如回轉窯；④能耗大，生產成本高，存在環境污染（特別是焦油難處置）。針對以上問題，東南大學將炭化過程產生的副產品（焦油和熱解氣）進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣采用內外聯合加熱方式為生物質炭化過程提供熱量，無焦油產生，實現連續式進出料和能量梯級利用。目前已建成日處理秸稈量7噸和24噸的成套工程，日產生物炭約2.1噸和7.5噸。工程連續穩定運行。

活性炭作為一種多孔材料，由于其具有發達的孔徑結構和豐富的表面官能 團，所以廣泛應用于國民經濟部門和人們的日常生活。活性炭不僅可用于液相 脫色，上下水凈化，氣相吸附，溶劑回收，空氣凈化；還可用于催化劑的合成， 作為貴金屬催化劑的載體。尋求新原料制備高性能的活性炭具有重要的意義。 濕地植物在冬季出現枯萎的現象，若不及時收割，會導致基質阻塞和腐爛 等問題。當前濕地植物秸稈大多通過焚燒和填埋的方式進行處理，利用率低且 污染環境。本項目技術在研究過程中發現，濕地植物秸稈具有孔結構發達、碳 含量高等特點，故采用濕地植物秸稈作為生產活性炭的原料，既能解決濕地植 物秸稈利用率低、污染環境的問題，又能降低活性炭的生產成本，廢物利用。 本技術采用新型的改性方法和活化方法：首先，采用表面改性的方法來提 升活性炭的吸附性能；其次，采用原位改性的方法，節約成本，簡化工藝，提 升活性炭性能；再次，使用新型活化劑，實現一步法直接活化生產目標活性炭， 使其具有特定孔徑結構和官能團。 本項目技術制備出的新型活性炭，比表面積高，表面官能團豐富，對重金 屬、有毒有害有機污染物具有高效的吸附性能。以植物生物質為原料制備活性 炭，過程簡單，速度快，制備成本低，產品性能優異，具有良好的實用性能。

本發明涉及一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，屬于新材料技術領域。其主要特點在于利用泡沫炭多孔結構及Si3N4納米纖維復合體對自來水中顆粒及污染物的過濾和吸附功能實現軟凈水一體化功能。

　活性炭是利用富碳的原料，通過物理或化學的方法，經炭化活化制得的產品。制造活性炭的原料包括各種煤炭（約占52%）、木材（約33%）、椰子殼和各種堅果殼、果核（10%）、以及其它農林副產品（少于5%）。煤炭作為一種重要的化工原料，特別是在我國的煤炭供應嚴重不足的情況下，用煤炭生產活性炭成本較高。近年來，由於我國天然林保護工程的實施，國內木材產量銳減，擴大木質活性炭生產規模也受到限制。而另一方面，國際市場上商業活性炭的價格持續下降。隨著我國社會經濟快速發展和世界經濟一體化進程，尋找價格低廉且資源豐富的活性炭生產原料已成為我們的當務之急。竹材，是一種可再生的林業產品，它的化學組成與木材基本相同（纖維素、半纖維素和木素等），作為活性炭的生產原料有著廣闊的前景。采用竹材生產活性炭不僅能獲得經濟效益、社會效益和生態效益，又能促進竹類資源的產業化開發與提升。研究中的有關成果（例如表面化學特性與相吸附能力的關系、一步法制備高效活性炭工藝、炭化過程的兩步連續反應數學模型、和活性炭的表面官能團及其化學吸附機理的研究等）引起國內外同行的廣泛關注，紛紛來信索取論文單行本，并通過電子郵件深入討論。正是基于創造性地利用農業廢棄物轉換成高效的環保產品，2001年10月與新加坡南洋理工大學賴奕章(Lua Aik Chong)教授共享由Asian Economic Review 主辦的2001年亞洲發明大獎(Asian Innovation Award 2001)。本人愿為我國竹材資源的合理利用、高效低價活性炭的開發生產、吸附分離理論體系的完善、以及開發活性炭的應用新領域貢獻自己微薄的力量。